丹尼尔·伯努利
丹尼尔·伯努利(Daniel Bernoulli,1700年2月8日—1782年3月17日),出生于荷兰格罗宁根,瑞士物理学家、数学家、医学家,是数学家约翰·白努利(Johann Bernoulli)的次子。
丹尼尔·伯努利16岁时在巴塞尔大学攻读哲学与逻辑,后获得哲学硕士学位,17~20岁又学习医学,于1721年获医学硕士学位,成为外科名医并担任过解剖学教授,在父兄影响下转到数理科学。1724年,他在威尼斯共和国发表了他的《数学练习》(Exercitationes mathematicae),引起广泛关注并被邀请到圣彼得堡科学院工作。1726年,丹尼尔·伯努利通过大量的实验,发现了“边界层表面效应”:流体速度加快时,物体与流体接触的界面上的压力会减小,反之压力会增加。为纪念他的贡献,这一发现被称为“伯努利效应”。1733年,丹尼尔·伯努利回到了巴塞尔市,先任解剖学教授,后任动力学教授。1738年,丹尼尔·伯努出版了著作《流体动力学》。1741年—1743年,丹尼尔·伯努利研究了关于弹性弦的横向振动问题,发表了论文《弹性振动的叠加》。1725年—1757年,他曾因天文学、地球引力、潮汐、磁学、洋流、船体航行的稳定和振动理论等成果,获得了巴黎科学院10次以上的奖励。1782年3月17日,丹尼尔·伯努利在瑞士巴塞尔逝世,终年82岁。
1734年,丹尼尔·伯努利与父亲约翰以“行星轨道与太阳赤道不同交角的原因”的论文获得了巴黎科学院的双倍奖金。1747年,他当选柏林科学院成员。1748年,他成为巴黎科学院成员。1750年,他被选为伦敦皇家自然知识促进学会会员,还是波伦亚(意大利)、伯尔尼(瑞士)、都灵(意大利)、苏黎世(瑞士)和慕尼黑(德国)等科学院或科学协会的会员。
生平简介
雅各布·伯努利,著名的伯努利家族中最杰出的一位。他是数学家J.伯努利的次子,和他的父辈一样,违背家长要他经商的愿望,坚持学医,他曾在海得尔贝格、斯脱思堡和巴塞尔市等大学学习哲学、论理学、医学。1721年,伯努利取得医学硕士学位。1724年,丹尼尔·伯努利在威尼斯发表了他的《数学练习》。1725年,努利在25岁时应聘为圣彼得堡科学院的数学院士。8年后回到瑞士的巴塞尔,先任解剖学教授,后任动力学教,1750年,伯努利成为物理学教授。
一共读过三个大学,分别是尼赛尔大学、斯特拉斯堡大学和海德堡大学。
在雅各布·伯努利1725~伯努利1749年间,伯努利曾十次荣获法国科学院的年度奖。伯努利782年3月伯努利7日,伯努利在巴塞尔市逝世,终年82岁。
科学成就
伯努利的贡献涉及到医学、力学、数学等各个方面。
伯努利.在物理学上的贡献共有:
1. (1)伯努利938年出版了《流体动力学》一书,共伯努利3章。这是他最重要的著作。书中用能量守恒定律解决流体的流动问题,写出了流体动力学的基本方程,后人称之为“伯努利方程”,提出了“流速增加、压强降低”的伯努利原理。
(2)他还提出把气压看成气体分子对容器壁表面撞击而生的效应,建立了分子运动理论和热学的基本概念,并指出了压强和分子运动随温度增高而加强的事实。
(3)从雅各布·伯努利728年起,他和欧拉还共同研究柔韧而有弹性的链和梁的力学问题,包括这些物体的平衡曲线,还研究了弦和空气柱的振动。 (4)他曾因天文测量、地球引力、潮汐、磁学、洋流、船体航行的稳定、土星和木星的不规则运动和振动理论等成果而获奖。
2.在数学方面,有关微积分、微分方程和概率论等,他也做了大量而重要的工作。
个人经历
(一)
在科学史上,父子科学家、兄弟科学家并不鲜见,然而,在一个家族跨世纪的几代人中,众多父子兄弟都是科学家的较为罕见,其中,瑞士的伯努利家族最为突出。
伯努利家族3代人中产生了8位科学家,出类拔萃的至少有3位;而在他们一代又一代的众多子孙中,至少有一半相继成为杰出人物。伯努利家族的后裔有不少于120位被人们系统地追溯过,他们在数学、科学、技术、工程乃至法律、管理、文学、艺术等方面享有名望,有的甚至声名显赫。最不可思议的是这个家族中有两代人,他们中的大多数数学家,并非有意选择数学为职业,然而却忘情地沉溺于数学之中,有人调侃他们就像酒鬼碰到了烈酒。
老尼古拉·伯努利(Nicolaus Bernoulli,公元1623~1708年)生于巴塞尔,受过良好教育,曾在当地政府和司法部门任高级职务。他有3个有成就的儿子。其中长子雅各布(Jocob,公元1654~1705年)和第三个儿子约翰(Johann,公元1667~1748年)成为著名的数学家,第二个儿子小尼古拉(Nicolaus I,公元1662~1716年)在成为圣彼得堡科学院数学界的一员之前,是伯尔尼的第一个法律学教授。
1654年12月27日,雅各布·伯努利生于巴塞尔市,毕业于巴塞尔大学,1671年17岁时获艺术硕士学位。这里的艺术指“自由艺术”,包括算术、几何学、天文学、数理音乐和文法、修辞、雄辩术共7大门类。遵照父亲的愿望,他于1676年22岁时又取得了神学硕士学位。然而,他也违背父亲的意愿,自学了数学和天文学。1676年,他到日内瓦做家庭教师。从1677年起,他开始在那里写内容丰富的《沉思录》。
1678年和1681年,雅各布·伯努利两次外出旅行学习,到过法国、荷兰、英国和德国,接触和交往了许德、玻意耳、罗伯特·胡克、克里斯蒂安·惠更斯等科学家,写有关于彗星理论(1682年)、重力理论(1683年)方面的科技文章。1687年,雅各布·巴内特在《教师学报》上发表数学论文《用两相互垂直的直线将三角形的面积四等分的方法》,同年成为巴塞尔大学的数学教授,直至1705年8月16日逝世。
1699年,雅各布当选为巴黎科学院外籍院士;1701年被柏林科学协会(后为柏林科学院)接纳为会员。
许多数学成果与雅各布的名字相联系。例如悬链线问题(1690年),曲率半径公式(1694年),“雅各布·伯努利双纽线”(1694年),“伯努利微分方程”(1695年),“等周问题”(1700年)等。
雅各布·巴内特对数学最重大的贡献是在概率论研究方面。他从1685年起发表关于赌博游戏中输赢次数问题的论文,后来写成巨著《猜度术》,这本书在他死后8年,即1713年才得以出版。
最为人们津津乐道的轶事之一,是雅各布醉心于研究对数螺线,这项研究从1691年就开始了。他发现,对数螺线经过各种变换后仍然是对数螺线,如它的渐屈线和渐伸线是对数螺线,自极点至切线的垂足的轨迹,以极点为发光点经对数螺线反射后得到的反射线,以及与所有这些反射线相切的曲线(回光线)都是对数螺线。他惊叹这种曲线的神奇,竟在遗嘱里要求后人将对数螺线刻在自己的墓碑上,并附以颂词“纵然变化,依然故我”,用以象征死后永生不朽。
(二)
雅各布·伯努利的弟弟约翰·白努利比哥哥小13岁,1667年8月6日生于巴塞尔市,1748年1月1日卒于巴塞尔,享年81岁,而哥哥只活了51岁。
约翰于1685年18岁时获巴塞尔大学艺术硕士学位,这点同他的哥哥雅各布一样。他们的父亲老尼古拉要大儿子雅各布学法律,要小儿子约翰从事家庭管理事务。但约翰在雅各布的带领下进行反抗,去学习医学和古典文学。约翰于1690年获医学硕士学位,1694年又获得博士学位。但他发现他骨子里的兴趣是数学。他一直向雅各布·巴内特学习数学,并颇有造诣。1695年,28岁的约翰取得了他的第一个学术职位——荷兰格罗宁根大学数学教授。10年后的1705年,约翰接替去世的雅各布任巴塞尔大学数学教授。同他的哥哥一样,他也当选为巴黎科学院外籍院士和柏林科学协会会员。1712、1724和1725年,他还分别当选为伦敦皇家自然知识促进学会、意大利波伦亚科学院和圣彼得堡科学院的外籍院士。
约翰的数学成果比雅各布还要多。例如解决悬链线问题(1691年),提出洛必达法则(1694年)、最速降线(1696年)和测地线问题(1697年),给出求积分的变量替换法(1699年),研究弦振动问题(1727年),出版《积分学教程》(1742年)等。
约翰与他同时代的110位学者有通信联系,进行学术讨论的信件约有2500封,其中许多已成为珍贵的科学史文献,例如同他的哥哥雅各布以及戈特弗里德·莱布尼茨、克里斯蒂安·惠更斯等人关于悬链线、最速降线(即摆线)和等周问题的通信讨论,虽然相互争论不断,特别是约翰和雅各布互相指责过于尖刻,使兄弟之间时常造成不快,但争论无疑会促进科学的发展,最速降线问题就导致了变分法的诞生。
约翰的另一大功绩是培养了一大批出色的数学家,其中包括18世纪最著名的数学家莱昂哈德·欧拉、瑞士数学家克莱姆、法国数学家洛必达,以及他自己的儿子丹尼尔和侄子尼古拉二世等。
(三)
约翰·白努利想迫使他的第二个儿子丹尼尔去经商,但丹尼尔在不由自主地陷进数学之前,曾宁可选择医学成为医生。
丹尼尔(Daniel,公元1700~1782年)出生于荷兰的格罗宁根,1716年16岁时获艺术硕士学位;1721年又获医学博士学位。他曾申请解剖学和植物学教授职位,但未成功。
丹尼尔受父兄影响,一直很喜欢数学。1724年,他在威尼斯共和国旅途中发表《数学练习》,引起学术界关注,并被邀请到圣彼得堡科学院工作。同年,他还用变量分离法解决了微分方程中的里卡提方程。1725年,25岁的丹尼尔受聘为圣彼得堡的数学教授。1727年,20岁的莱昂哈德·欧拉(后来人们将他同阿基米德、艾萨克·牛顿、gaussian并列为数学史上的“四杰”),到圣彼得堡成为丹尼尔的助手。
然而,丹尼尔认为圣彼得堡那地方的生活比较粗鄙?摇,以至于8年以后的1733年,他找到机会返回巴塞尔市,终于在那儿成为解剖学和植物学教授,最后又成为物理学教授。
1734年,丹尼尔荣获巴黎科学院奖金,以后又10次获得该奖金。能与丹尼尔媲美的只有大数学家长城欧拉。丹尼尔和欧拉保持了近40年的学术通信,在科学史上留下一段佳话。
在伯努利家族中,丹尼尔是涉及科学领域较多的人。他出版了经典著作《流体动力学》(1738年);研究弹性弦的横向振动问题(1741~1743年),提出声音在空气中的传播规律(1762年)。他的论著还涉及天文学(1734年)、地球引力(1728年)、湖汐(1740年)、磁学(1743、1746年),振动理论(1747年)、船体航行的稳定(1753、1757年)和生理学(1721、1728年)等。丹尼尔的博学成为伯努利家族的代表。
丹尼尔于1747年当选为柏林科学院院士,1748年当选巴黎科学院院士,1750年当选伦敦皇家自然知识促进学会会员。他一生获得过多项荣誉称号。
著名的伯努利家族曾产生许多传奇和轶事。对于这样一个既有科学天赋然而又语言粗暴的家族来说,这似乎是很自然的事情。一个关于丹尼尔的传说这是样的:有一次在旅途中,年轻的丹尼尔同一个风趣的陌生人闲谈,他谦虚地自我介绍说:“我是丹尼尔·伯努利。”陌生人立即带着讥讽的神情回答道:“那我就是伊萨克·牛顿。”
人物评价
丹尼尔·伯努利是一位为科技进步奠定基础的伟大科学家,他的学术理论和发明成果犹如明灯,照亮了人类不断前进的道路。(澎湃新闻评)
丹尼尔·伯努利是一位博学多才的物理学家、数学家和医学家,他是伯努利家族中的佼佼者。他的著作和论文众多,其中《流体动力学》的出版更是使他成为流体力学的开山鼻祖。他通过对生活中细微现象的观察和实验,发现了“伯努利原理”,并在1738年的《流体力学》中给出了等价的数学表述“伯努利方程”。这一发现和方程的提出对科学界产生了深远影响,也使他在家族和科学界中扬名立万。(中科院物理所评)
参考资料
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【数学夜话】历史上的数学——丹尼尔·伯努利.牡丹江师范学院数学科学学院.2024-02-28
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数学第一家族和“伯努利方程”.百家号.2024-04-07